锂硫电池(LSB)具有1675 mA·h/g的高理论比容量和2500 Wh/kg的高能量密度[1,2]。 使用单质硫作为LSB的正极材料与金属锂配对组成全电池时,平均放电电压为2.15 V,电池的比能量相对较高[3,4]。 此外,单质硫(S8)具有来源丰富和环境友好并且在充放电反应过程中不会发生析氧等副反应,因此受到研究者特别关注。 然而,由于LSB的固有性质,电池的实际能量密度很难达到理论值。 此外,较差的循环稳定性阻碍了其商业化开发。存在的问题主要有:1)正极活性物质S8和放电产物Li2S的低导电率易导致活性材料电化学活性低,利用率低。 常温下,硫的电导率只有5×10-30 S/cm;2)由于S8与Li2S的密度差异较大,造成巨大的体积膨胀(80%),导致活性材料的结构被破坏及粉碎,使活性物质的利用率明显下降;3)S8在氧化还原过程中会产生可溶性的多硫化锂(LiPSs)和不溶性的Li2S2/Li2S,而且电池在充放电过程中不仅存在电场力,还会因浓度差的存在产生浓度梯度力,导致LiPSs在阴极和阳极之间自由迁移,降低了放电过程中的活性物质的有效利用率,使电池的库伦效率明显降低[5,6,7]。

为了解决上述问题,将单质硫与其他具有高导电性和结构稳定性的材料复合是提高锂硫电池电化学性能的一种有效方法。 早在2009年,加拿大滑铁卢大学的Nazar等通过在155 ℃下将硫渗入中孔碳(CMK-3)的有序孔道中,提出了硫包覆捕获LiPSs的概念,可促进电子和离子的快速传输等[8]。 由于碳材料来源丰富,价格相对低廉,结构稳定,将单质硫在高温下熔融后均匀分散在多孔的碳材料中,可减少硫的聚集,适当地增加了正极材料的活性,提高活性物质的利用率。 至今,各国研究人员已经广泛研究了各种碳结构,包括微孔、介孔和分级多孔碳[9,10,11,12]、碳纳米纤维[13,14,15]、碳纳米管[16,17,18]和石墨烯等[19,20,21]。 尽管多孔碳材料能够将LiPSs限制在孔结构中,但二者之间只是较弱的物理相互作用,很难将LiPSs有效地固定在正极区域。 另外,根据相似相溶性原理,一旦非极性的硫转化为极性的LiPSs,其与非极性碳材料的作用力就会减弱,导致LiPSs在电解液中的溶解更加容易,使活性物质与电极表面的接触变弱,LiPSs转化为不溶性Li2S2/Li2S的反应动力学迅速变差。 因此,应在正极载体中引入一些特殊的官能团,通过与LiPSs之间的化学相互作用,用以改善循环稳定性。 近年,将具有丰富的极性位点的材料引入到碳结构中,既可以保证LiPSs的均匀吸附,同时也有利于放电产物的可控沉积,有效提高了活性材料的利用率,并缓解了“穿梭效应”。 本文主要分析了纳米结构载体材料对LiPSs的化学固定作用,系统地探讨了抑制LiPSs溶解的策略,以提高LSB的电化学性能。

最近的研究表明,一些过渡金属、过渡金属氧化物、硫化物、碳化物和氮化物材料,不仅能通过极性的金属-非金属化学键提供大量的活性位点吸附LiPSs,而且还可以促进LiPSs向Li2S2/Li2S的转化。

在Arava及其同事的早期工作中,研究了贵金属催化剂Pt对多硫化锂氧化还原反应的电催化作用[22,23]。 所制备的Pt/石墨烯复合材料作为硫载体,锂硫电池的首次放电容量为1100 mA·h/g,循环100次后容量仍有789 mA·h/g。 发现Pt/石墨烯的交换电流密度远高于石墨烯和Ni/石墨烯,表明Pt的存在促进了Li2S2/Li2S向LiPSs的转化,而且电极上未发现活性物质的团聚现象。 由此可见,Pt对多硫化锂电荷转移具有明显的催化作用[22]。

除贵金属外,过渡金属在许多电化学反应中也具有高电化学活性[24,25,26,27,28,29]。 如图1a所示,Dong等[30]通过将金属-有机骨架(MOF)碳化处理后制得3D多孔 N-掺杂石墨碳-钴复合物(Co-N-GC)。 研究结果表明,Co在LiPSs转化过程中所起的作用是双向的,不仅可以促进Li2S2/Li2S向可溶性多硫化锂的转化,而且有利于可溶性长链多硫化锂向不溶性Li2S2/Li2S的转化。 此外,Co-N-GC中的含N基团显著增加了其对Li2S x(4≤ x≤8)的吸附能,这有助于Li2S6氧化成S8。 当材料负载70%的硫时,电池首次放电容量为1670 mA·h/g,在1 C下能稳定循环500次。 Yin等[31]使用ZIF-67作为前驱体,制备了由氧化石墨烯包覆的Co和N共掺杂多面体复合材料(RGO/C-Co),当用作LSB的正极载体材料时,RGO/C-Co-S复合正极在0.3 A/g电流密度下,循环300次仍具有949 mA·h/g的高比容量(图1b)。 该复合材料不仅能通过 MOF衍生纳米片的多孔结构对LiPSs具有物理吸附作用,而且发现Co纳米颗粒与LiPSs之间的化学相互作用是通过形成Co—S键来进一步固定硫。 He等[32]将ZIF-67在高温下热处理得到Co和N共掺杂石墨碳复合材料作为Li2S载体,如图1c所示。 在1 C下,循环300次仍有929.6 mA·h/g的高比容量,平均每次循环的容量衰减率只有0.06%。

过渡金属氧化物由于具有亲水性的金属―氧键,是有效的LiPSs吸附剂,例如TiO2[33,34,35,36,37]、MnO2[38,39,40,41,42,43,44,45,46]、Co3O4[47]、V2O5[48]、MoO2[49,50]和MgO[51]等氧化物。 与非极性碳材料不同,具有强极性的金属氧化物被认为可以形成较强的化学键,或具有化学计量比和稳定的MSn配合物,因此能有效地将LiPSs限制在正极中。 Cui等[52]通过实验和理论计算表明,金属氧化物对LiPSs主要有三方面的作用:1)吸附LiPSs,密度泛函理论(DFT)计算表明单层化学吸附占主导地位;2)作为多硫化锂的转移站,将其从导电性差的氧化物表面输送到高导电碳基质,以确保完全的电化学转化;3)诱导Li2S2/Li2S在复合材料表面上的可控生长,而不是随机沉积。 许多报道已证明,随机的电化学沉积易导致Li2S的团聚,使电极失去活性(图2)。

Nazar等[53]报道了在超薄MnO2纳米片(NS)表面促进了LiPSs转化为不溶性Li2S2/Li2S的研究结果。 MnO2 NSs能与LiPSs反应形成表面结合的中间体,这些中间体可与LiPSs继续反应产生连多硫酸盐并形成Li2S2/Li2S。 在XPS谱中能检测到硫代硫酸盐(167.2 eV)和连多硫酸盐(168.2 eV)的特征峰,表明MnO2在LiPSs转化中起着至关重要的作用。 含S质量分数75%的MnO2电极在0.05 C下循环,首次放电容量约为1300 mA·h/g,循环200次后仍有1030 mA·h/g的高比容量。 然而,MnO2的低导电性不利于提高硫的利用率和倍率放电性能,因此通常需要掺入高导电性碳材料,构建MnO2@C的混合结构,可以同时提高导电性和极性位点对LiPSs的吸附。 例如,Lou等[54]制造了MnO2纳米片填充在1D中空碳纳米纤维的复合材料(MnO2@HCF),1D中空碳纳米纤维在电极中可以提供3 D的多孔和导电网络,可以促进电化学过程中的电子和离子转移。 此外,中空碳纳米纤维中的MnO2纳米片可与LiPSs发生化学相互作用,并有效地防止它们溶解到电解液中。

Caruso等[55]制备了具有高导电性的介孔Magnéli相Ti4O7强极性载体(图3a)。 该材料的平均孔径为20.4 nm,具有0.39 cm3/g和197.2 m2/g的高孔体积和比表面积,Ti4O7/S复合电极在0.1 C循环时,首次放电容量高达1317 mA·h/g;在0.2 C下循环400次后具有88%的优异容量保持率。 分析认为,Ti4O7微球不仅提供了高孔隙率的物理导电网络,有利于活性物质的沉积,而且材料表面的氧空位通过形成Ti—S键,增强了对LiPSs的化学性吸附,抑制了其在电解液中的溶解。 此外,Tao等[56]制备了介孔碳微球/Nb2O5(MCM/Nb2O5)强极性载体,MCM/Nb2O5/S电极在0.5 C循环时,首次放电容量为1289 mA·(h/g,在200次循环后仍有913 mA·h/g的比容量,每个循环的衰减率为0.14%。 如图3b-3d所示,理论计算表明,Li2S6和Nb2O5之间的结合能为272.6 kJ/mol,远高于Li2S6和 sp2碳之间的结合能。 极性Nb2O5纳米晶体改善性能的主要原因可归纳如下:1)吸附LiPSs,使其在极性表面富集,促进中间体的化学转化;2)为不溶性Li2S2/Li2S的快速沉积提供丰富的位点,加速了液体中间体的正向反应;3)可以作为参与多次LiPSs转化的催化剂。

过渡金属硫化物常用作燃料的加氢脱硫和腐蚀保护的催化剂[57,58,59]。 随着2D二硫化物的合成方法的发展,这些金属硫化物具有各种化学计量组成、晶体结构、价态和形貌结构,与氧化物相比,它们具有更高的电化学活性和氧化还原动力学。 在LSB中,过渡金属硫化物除了与LiPSs具有强烈化学相互作用外,还发现金属硫化物在LiPSs和Li2S2/Li2S反应中有很好的催化作用[60,61,62,63,64]。

2014年,Cui等[65]发现二维层状结构的TiS2与Li2S/Li2Sn有很强的电子结合能。 理论计算结果表明,二者之间的相互作用主要是通过Li2S中的Li原子与S原子分别与TiS2中的S原子形成Li—S和S—S键。 Li2S@TiS2正极在电流密度4 C下具有503 mA·h/g(按Li2S质量计)高比容量,Li2S负载量为5.3 mg/cm2时,面积比容量高达3.0 mA·h/cm2。 作者同时计算了其他层状过渡金属二硫化物ZrS2和VS2与Li2S之间的结合能,分别为2.99、2.7和2.94 eV(TiS2、ZrS2和VS2)。 而碳基-石墨烯与Li2S的电子结合能只有0.29 eV。 该工作表明,二维层状过渡金属二硫化物可以作为一类有效的正极载体材料,可实现高性能的LSB。 随后,Cui等[66]进一步发现,一些金属硫化物(VS2、CoS2和TiS2)能够吸附LiPSs,从而抑制其溶解,而且也可以作为活化催化剂在电池充电过程中促进Li2S氧化生成S。 理论计算和实验证明,Li2S的分解能垒与分离的Li+和硫化物中的S之间的结合能密切相关。 金属硫化物和Li2S/LiPSs之间的高结合能可以降低Li2S在初始充电时的分解过电势和能垒。 较低的能垒可促进Li+的扩散,加快S在金属硫化物界面上的转化,从而改善LSB的性能。 如图4a所示,与Ni3S2、SnS2和FeS相比,VS2、Ti2S、Co2S和Li2S6之间的结合能更高,这些值与在图4b和4c中所示的较低的过电势和较低的能垒的结果一致。 电化学性能测试(图4d)进一步证实了具有催化能力的金属硫化物如VS2、CoS2和TiS2能促进Li2S氧化生成S,从而有效提高LSB的性能。

近年来,二元硫化钴体系(Co4S3± x、Co9S、Co1- xS、Co3S4和CoS2)由于具有良好的导电性和电化学活性受到了人们的关注[67]。 例如,Nazar等[68]提出具有高比表面积和丰富孔隙率的Co9S8对LiPSs有很强的吸附能力。 实验观察到导电表面的极性特征有利于电荷从载体材料转移到LiPSs,但极性表面是如何促进LiPSs发生氧化还原反应的机理尚不完全清楚。 Zhang等[69]将CoS2引入碳/硫正极材料中,发现CoS2和多硫化锂之间的相互作用不仅静态存在,而且动态地加速了多硫化锂的氧化还原反应,明显改善了电池的性能。 此外,Zheng等[[70]通过原位透射电子显微镜(TEM)观察MoS2包覆的硫空心纳米球中活性物质硫的锂化/去锂化过程,发现MoS2的包覆层能有效地将硫的体积膨胀限制在50%以下。 这是因为导电的MoS2涂层具有柔性和强的范德华力(图5),而且MoS2的包覆层通过物理和化学吸附作用可有效地防止可溶性LiPSs的溶解。 在电极上硫负载量为1.5 mg/cm2(正极上相应的硫质量分数为65%)时,该复合电极在1 C电流密度下循环1000次后,电池仍具有585 mA·h/g的比容量。 Cui等[71]发现MoS2的边缘位置与Li2S的化学作用要比位于平面强,其对Li2S的沉积也具有高的电化学选择性和活性。 Arava等[72]研究了原子级超薄的WS2和MoS2纳米基底的边缘位置,认为可以降低极化并增强电化学反应动力学。 Goodenough等[73]最近也报道了WS2边缘的悬挂硫键对多硫化锂具有很强的吸附能力,亲硫性的WS2增强了捕获的多硫化锂向Li2S的转变,从而降低了内阻。

尽管金属硫化物具有一定的亲硫属性,与碳材料相比,对LiPSs具有更强的吸附作用,而且VS2、TiS2和CoS2等还可以诱导更低的过电势,充当活性催化剂来提高LiPSs的氧化还原动力学[74]。 但许多金属硫化物通常情况下导电性较差,导致通过化学吸附的LiPSs难以在载体表面被快速还原,这极大地限制了活性物质硫的利用率。 此外,一些金属硫化物呈不规则颗粒形式,只能在表面附近吸附LiPSs,当硫负载量较高时,不能有效地吸附电极中的所有LiPSs。 因此,为了最大限度地提高化学吸附和物理吸附的协同效应,通过设计构造3D导电碳网络与金属硫化物的纳米复合空心结构,可以有效提高材料的导电性、动力学和催化能力。

考虑到硫和金属氧化物/硫化物的高体积比,载体材料很难提供充足的接触界面吸附LiPSs,如果将载体材料通过包覆的形式作为抑制LiPSs溶解的涂层,更有利于电池性能的提高。 最近,薄的层状金属氢氧化物,如Co(OH)2[75]和Ni3(NO3)2(OH)4[76],通过丰富的亲水性羟基基团可以有效地将硫和LiPSs固定在正极区域。 Lou等[77]合成了新型的双壳层氢氧化钴和层状双氢氧化物Co(OH)2/LDH(CH@LDH)纳米笼,作为LSB的新型硫主体双壳结构。 如图6a所示,该结构提供了足够的空间可负载质量分数75%的硫,而且材料表面极性的羟基官能团对LiPSs具有强结合亲和力。 CH@LDH/S电极在0.1 C下循环时,首次放电容量为1014 mA·h/g,循环100次后仍有653 mA·h/g的比容量。 具有核-壳结构的CH@LDH通过物理和化学作用抑制了可溶性LiPSs的向外扩散。 受到这种方法的启发,Xu等[78]合成了由超薄 α-Ni(OH)2纳米片基底包覆的均匀空心硫微纳米球,如图6b所示。 该微纳米球粒径在500 nm左右,片厚度30 nm左右,该结构不仅可以将LiPSs固定在正极区域,同时有利于电子和Li+的传输,从而提高了硫的有效利用率。 此外, α-Ni(OH)2纳米片还可以通过路易斯酸位点上不同价态的金属离子与硫和LiPSs形成强烈的化学相互作用来限制LiPSs的溶解。 在硫负载量为2.2 mg/cm2时,该复合电极在0.2 C下循环1000次,表现出优异的循环稳定性(平均每个循环的容量衰减率为0.04%)。

以金属氢氧化物为正极载体的硫质量分数一般在42%~63%,电极上负载的硫含量为1.8~3 mg/cm2。 一些研究表明[75,76],即使硫含量相同,Ni-基氢氧化物的性能大大超过Co-基氢氧化物,这可能与Ni-基氢氧化物与多硫化物之间的化学相互作用更强有关。 总之,具有各种极性/亲水性基团(例如,亲水性基团、表面羟基等)的金属氢氧化物的制备方法简单,成本低,有望成为LSB的载体材料。 然而,该类材料的低电导率限制了Li+的传输和硫的利用。

过渡金属氮化物通常结晶成岩盐结构并具有混合的金属离子和共价键,一般的金属氮化物包括TiN、VN、CrN、ZrN和NbN等。 这些材料具有高硬度和高熔点以及良好的金属导电性,这些特性赋予它们牢固的结构,可以承受锂化过程中硫的体积膨胀[79]。 近年,金属氮化物在LSB研究中得到广泛关注。 氮化钛(TiN)由于具有高电子传导性(46 S/cm)[80], Goodenough等[81]提出使用介孔TiN-S正极用于锂-硫电池。 这种多孔结构的TiN通过化学作用和物理吸附将S和LiPSs限制在孔隙内。 TiN中N1s的XPS谱中的特征峰值具有~2 eV的偏移,表明TiN与LiPSs通过形成N—S键具有强烈的化学相互作用。 另外,TiN表面上的TiO2钝化层具有亲水基团,提供了与LiPSs强结合的极性表面。在硫质量分数为51%,负载量为1 mg/cm2时,该复合电极在0.5 C下循环500次仍具有644 mA·h/g的比容量,容量保持率高达65%。 Li等[82]合成了导电多孔VN纳米带/石墨烯(VN/G)复合材料,得出极性的VN对可溶性LiPSs具有极强的化学亲和力并抑制其穿梭,室温下的电导率为1.17×106 S/m,有利于表面吸附的LiPSs发生快速的电子转化,如图7所示。 这种由VN纳米带和还原氧化石墨烯相互交联形成的3D导电网络具有丰富的微孔和介孔结构,有利于电解液的渗透并提供足够的空间容纳LiPSs。 电化学测试和理论计算表明,极性VN对Li2S6的强吸收是由于形成V—S和N—Li键,电子结合能分别为3.75和1.07 eV。 此外,VN表面还含有少量的V—N—O和V—O键,其对LiPSs也有一定的亲和力。 结合所有这些优点,在载硫量为3 mg/cm2时,该复合电极在1 C下循环,首次放电容量为1131 mA·h/g,循环200次后,比容量仍有917 mA·h/g。

Dong等[83]制备了Co4N介孔球,发现Co4N中的低价钴对LiPSs中的硫具有很强的化学亲和力,如图8b所示。 Co4N中的Co2 p3/2 的XPS谱图中具有位于780.3和778.3 eV的两个特征峰,其中位于778.3 eV的峰是金属钴的特征峰,表明零价钴的存在,而在780.3 eV的峰表明Co—N键的存在。 吸附Li2S6后,Co2 p3/2在778.9 eV处出现了一个新的峰,表明Co—S键的存在,并且前两个特征峰的强度降低,尤其是位于778.5 eV的特征峰强度降低更明显,这进一步表明Co4N对LiPSs的强亲和力。 此外,N原子中的孤对电子作为导电路易斯碱“催化剂”基质,增强了对LiPSs中的Li原子的吸附能力,从而促进LiPSs的氧化还原过程。 在硫负载量为2.8 mg/cm2时,Co4N@S正极在2 C下循环,首次放电容量为1259 mA·h/g,循环800次仍具有良好的稳定性。

结合通过路易斯酸碱键合捕获LiPSs的优势,关于正极载体材料的探索也扩展到MXene类材料,MXene是具有半导体金属特性的过渡金属碳化物或碳氮化物。 通过选择性地蚀刻来自分层MAX相(M n+1AX n,A=IIIA/IVA元素)的原子,然后使用极性溶剂使片层分层来制备MXene复合物(M n+1C nT x,其中T代表OH、F、O等表面封端的官能团)。 以完全分层的MXene相Ti2C为例,该材料具有金属导电性,2D表面具有充足的路易斯酸Ti位点和羟基官能团,如图9a所示,Nazar等[84]首次报道了由高活性的2D分层MXene相Ti2C复合材料作为载体,HF蚀刻Ti2CT x上形成的自功能化表面上丰富的“酸性”Ti位点通过形成Ti—S化学键与多硫化锂之间具有强化学作用,而且其导电性远高于氧化石墨烯。 最近,Nazar等[85]进一步发现MXene吸附LiPSs需要经过两步反应,如图9b所示。 MXene相上的羟基末端基团首先与LiPSs发生氧化还原反应形成表面硫代基团,然后暴露的Ti原子发生Wackenroder反应。 亚稳态Ti原子接受电解质中的LiPSs的电子,通过路易斯酸碱反应形成Ti—S键。 DFT计算表明,原始MXene与LiPSs的结合能为3.42 eV,这归因于极性与极性的相互作用。 脱去羟基后,利用Ti原子中的空位和化学键吸附LiPSs和扭曲的Li2S4(图9c,iii),特别是当除去所有羟基时,电子结合能达到最大值。 不同多硫化物分子(Li2S、Li2S2、Li2S4)的结合能的变化也进一步证实了结合能随着表面羟基数的减少而增加(图9c,ⅳ),而且完全暴露的MXene具有最高的结合能,并且表面的的羟基对LiPSs有氧化还原活性。 在电极上硫的负载量为1.5 mg/cm2时,S/CNT(10%)-Ti3C2电极在0.5 C下循环1200次,电池的容量保持率为48%。 在提高硫负载量后,厚电极(3.6和5.5 mg/cm2,正极中硫含量为64%)在0.2 C下循环250次,仍具有优异的性能(图9d)。 Wang等[86]将Ti3C2T x/MOF-5于900 ℃下热处理3 h并利用HF除去ZnO成功合成了金属碳化物@介孔碳复合结构,该材料具有MXene和混合多孔结构的优点,有利于硫的调节。 在硫质量分数为58%,硫负载量为2 mg/cm2时,该复合电极在0.5 C下循环300次仍具有705 mA·h/g高比容量。

此外,一些其它金属碳化物(Mo2C[87]、W2C[88]、Fe3C[89]等)复合材料也被研究。 例如,Wang等[89]利用Na4Fe(CN)6为模板,制备了Fe3C@N-掺杂石墨烯和碳纳米管(N-GE-CNT)复合材料。 该结构由二维石墨烯和一维碳纳米管组成,呈现三维分层结构,可以有效地减轻纳米碳材料的自聚集和重新堆叠。 通过Fe3C和S之间的反应形成Fe xS和石墨的平衡相。 该S@Fe xS@N-GE-CNT正极具有优异的循环和倍率性能(电流密度为10 C时容量为128 mA·h/g)。 该材料的3D交联导电多孔结构不仅改善电极的导电性,而且可以促进电解质的扩散和渗透,同时由具有孤对电子的N、Fe3C和Fe xS所引入的缺陷和活性吸收位点,可有效地将LiPSs抑制在正极区域。

一些其它含金属元素的化合物近年来也被证明可以有效抑制多硫化锂的溶解迁移。 如MOFs[90,91,92,93,94,95]、磷化物[96]和硒化物[97]。 在较早的报道中,由于MOFs具有可变价的金属中心或化学活性的有机连接体,也被当作硫载体使用,如图10所示。 Liu等[95]合成了由MOF-衍生多孔碳多面体和CNTs复合结构可以形成一体化的硫载体,交联的CNTs结构有利于整个电极电子和离子的传导以及结构的完整性,而碳多面体结构在循环过程中可有效地将硫限制在高活性界面区域。 基于此,电池具有超稳定的循环性能,在500次循环中每个循环的衰减率只有0.0054%。 即使在10 C下循环,电池仍具表现出色的高倍率性能。

综上可知,在锂硫电池(LSB)中,可溶性LiPSs和不溶性Li2S2/Li2S之间的缓慢转化是引起电解液中LiPSs穿梭的主要原因,这一现象严重降低了LSB的能量效率和循环性能。 因此,理想的硫载体不仅要具有对LiPSs的强亲和力,而且应能促进LiPSs和Li2S2/Li2S的相互转化,这被认为是抑制“穿梭效应”的良好补救措施。 基于此,通过引入金属、氧化物、硫化物、氮化物以及其他具有化学吸附活性的化合物材料。 这些材料中的大多数在脱硫工业中得到广泛应用,表明在传统化学反应中促进硫基化合物转化的材料也可以促进LiPSs转化。 因此,从设计具有丰富多孔结构的金属化合物复合材料出发,可以通过原位观察表征、解析反应机理以及通过理论计算,研究其促进LiPSs的具体转化作用,设计具有高效电化学活性的硫载体材料。 但设计用于LSB的正极载体材料时,有必要考虑的几个关键因素:

1)材料应具有高的电化学活性表面积。 具有更易接近的表面2D和3D网络结构材料来提高电化学活性和效率,这不仅减少了电极中所需的正极载体量来提高电极能量密度,而且提供了大的表面积以实现LiPSs的均匀吸附和放电产物Li2S2/Li2S的沉积。

2)材料应具有高导电性。由于离子和电子的快速迁移和耦合直接影响LiPSs的转化反应动力学,因此正极载体结构应有利于表面的离子迁移。 此外,由于S8和Li2S2/Li2S的导电性差,具有高导电性的正极载体可以提高活性物质的利用率,降低电池的极化现象。

3)材料应具有来源丰富的特点。 考虑锂硫电池的实际应用,应优先使用低成本的金属氧化物。 但由于它们的导电性差,需要与多孔碳复合。 因此,需要进一步优化这些复合材料的结构来促进LiPSs的氧化还原反应,以实现高硫负载和优异的电化学性能。

4)材料应具有多功能。一般正极载体需要具有高吸附能力和强催化性质,这有利于LiPSs的吸附-扩散-转化过程,最终实现研制出具有超长寿命的LSB。

总之,提高吸附的LiPSs与不溶性Li2S2/Li2S之间的转化速度是抑制“穿梭效应”的关键,将具有催化效应与物理和化学吸附LiPSs的方法相结合是解决LiPSs穿梭的有效方法,这有望成为开发高性能和实用的LSB的有效解决方案。